摘要 為了保證公路工程建設(shè)質(zhì)量，文章首先總結(jié)了瀝青混合料路面耐久性影響因素、驗(yàn)收彎沉值和彎沉代表值的計(jì)算方法，隨后分析了貝克曼梁法、自動(dòng)彎沉儀、FWD在瀝青路面彎沉檢測(cè)中的應(yīng)用要點(diǎn)，最后以某高速公路的A～D路段為研究對(duì)象，分析了瀝青路面彎沉和耐久性隨運(yùn)營(yíng)時(shí)間的變化規(guī)律，研究成果可供類似項(xiàng)目借鑒。

關(guān)鍵詞 瀝青路面；彎沉檢測(cè)；耐久性；運(yùn)營(yíng)時(shí)間；工程案例

中圖分類號(hào) U416.217 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2024）04-0096-03

0 引言

相對(duì)于水泥路面，瀝青混凝土路面在施工、行車、養(yǎng)護(hù)等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，在公路工程中應(yīng)用廣泛。瀝青路面經(jīng)過(guò)多年運(yùn)營(yíng)，其抗滑性能、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、承載力等會(huì)不斷下降，使得路面耐久性衰減，影響了行車安全。在實(shí)際項(xiàng)目中，彎沉值是評(píng)價(jià)瀝青路面性能的重要指標(biāo)，但對(duì)于彎沉值和耐久性之間關(guān)系的研究較少，研究成果可參考性不足。鑒于此，該文深入研究了瀝青路面彎沉檢測(cè)方法及其與耐久性之間的關(guān)系。

1 瀝青路面耐久性影響因素和彎沉類型

1.1 耐久性影響因素

（1）溫度。瀝青混凝土是一種對(duì)溫度較敏感的材料，其力學(xué)性能表現(xiàn)為黏彈性。在夏季連續(xù)高溫天氣下，瀝青混凝土為黏性，抗變形能力降低，在車輛荷載下容易出現(xiàn)不可恢復(fù)的車轍變形；在冬季連續(xù)負(fù)溫天氣下，瀝青混凝土為彈性，硬度增加，在車輛荷載下容易出現(xiàn)大面積脆性裂縫。上述兩種情況，都會(huì)使瀝青路面使用性能衰減，耐久性降低^[1]。

（2）濕度。如果瀝青路面遇連續(xù)降雨，形成的雨水徑流會(huì)充滿瀝青混合料空隙，使得基質(zhì)瀝青與集料之間的吸附性下降。車輪經(jīng)過(guò)積水路面引起的動(dòng)水壓力會(huì)破壞集料，使瀝青混凝土出現(xiàn)松散破壞。同時(shí)，冬季的水會(huì)以冰的形態(tài)存在，而春季溫度升高后冰再融化成水，即產(chǎn)生“凍融循環(huán)”，使路面使用性能劣化，降低了路面耐久性。

（3）行車荷載。瀝青混合料路面設(shè)計(jì)是基于BZ-100標(biāo)準(zhǔn)軸載，如果交通量調(diào)查、預(yù)測(cè)不合理或標(biāo)準(zhǔn)軸載換算不當(dāng)，可能使瀝青路面承載能力差。在運(yùn)營(yíng)期間受到車輛荷載后，路面內(nèi)部或?qū)拥讜?huì)出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力。當(dāng)拉應(yīng)力大于材料抗拉強(qiáng)度，層底開(kāi)裂并不斷向上延伸，在路面形成反射裂縫，使路面發(fā)生疲勞破壞，降低其耐久性。

（4）瀝青混合料性能。為了保證瀝青路面的耐久性，瀝青混合料要有良好的性能，比如結(jié)合項(xiàng)目所處地區(qū)選擇瀝青標(biāo)號(hào)；再比如粗細(xì)集料選擇棱角分明、堅(jiān)硬、干燥的玄武巖或石灰?guī)r，并選擇合理的礦料級(jí)配。粗集料含量不宜過(guò)低，否則會(huì)造成瀝青混合料的空隙被瀝青填充，難以形成有效的持力骨架，降低路面承載力。以路面上面層常用的SMA-13為例，其礦料級(jí)配宜采用中值，見(jiàn)表1。

1.2 彎沉類型

（1）驗(yàn)收彎沉值。彎沉是反映瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)承載力和耐久性的關(guān)鍵指標(biāo)。由《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D50—2017，下簡(jiǎn)稱《規(guī)范》）可知，路表驗(yàn)收彎沉值應(yīng)按彈性層狀體系理論計(jì)算，見(jiàn)公式（1）和公式（2）^[2]。

E₀——路基頂面回彈模量（MPa）；h₁、h₂…h(huán)_n?1——路面結(jié)構(gòu)層厚度（m）；E₁、E₂…E_n?1——路面結(jié)構(gòu)層彈性模量（MPa）；δ——當(dāng)量圓半徑（mm）；k_l——調(diào)整系數(shù)，與路面基層材料和面層材料相關(guān)。

（2）彎沉代表值。路表彎沉檢測(cè)要先將公路劃分為若干個(gè)路段，每個(gè)路段的長(zhǎng)度為1～3 km。隨后測(cè)定出每個(gè)路段的路表彎沉代表值l₀，并與驗(yàn)收彎沉值進(jìn)行對(duì)比。當(dāng)l₀＜l_a，說(shuō)明路面彎沉滿足設(shè)計(jì)要求，耐久性合理；當(dāng)l₀＞l_a，說(shuō)明路面耐久性不足。由《規(guī)范》可知，l₀可按公式（3）計(jì)算^[3]。

2 瀝青路面彎沉測(cè)試方法分析

2.1 貝克曼梁法

貝克曼梁法由合金鋁材料制作而成，有5.4 m梁和3.6 m梁兩種類型。由于該高速公路的路面基層屬于半剛性基層，可選擇長(zhǎng)度為5.4 m的梁。同時(shí)，瀝青路面的加載車很重要，荷載不宜過(guò)大或者過(guò)小?！豆仿坊访娆F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試規(guī)程》（JTG 3450—2019，下簡(jiǎn)稱《規(guī)程》）規(guī)定貝克曼梁法的標(biāo)準(zhǔn)加載參數(shù)如下：后軸標(biāo)準(zhǔn)軸載100±1 kN、單側(cè)雙輪荷載50±0.5 kN、輪胎氣壓0.7±0.05 MPa、單輪傳壓面當(dāng)量圓面積（3.56±0.2）×10⁴mm²。

在檢測(cè)路面彎沉前，要先做好準(zhǔn)備工作，比如檢查加載車的車況，給加載車配重，并統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)期間當(dāng)?shù)氐钠骄鶜鉁?。如果加載車磨損較大時(shí)，應(yīng)測(cè)試輪胎傳壓面面積。

路表彎沉檢測(cè)時(shí)，要將加載車停放于測(cè)試路段，將貝克曼梁插入加載車后輪輪隙處（梁臂不接觸輪胎）。隨后，安排專職人員指揮加載車緩慢前進(jìn)，行車速度應(yīng)均勻，宜取3～5 km/h。百分表示值會(huì)隨路面變形的增加而增加，當(dāng)百分表示值達(dá)到最大時(shí)，讀取初始讀數(shù)L₁，待加載車駛出彎沉影響范圍后，讀取最終讀數(shù)L₂。因此，路面回彈彎沉值為2×（L₁?L₂）。

2.2 自動(dòng)彎沉儀

自動(dòng)彎沉儀包括承載車、位移傳感器、距離傳感器、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等，其中承載車荷載、輪胎氣壓等參數(shù)與貝克曼梁法相同，位移傳感器分辨率≤0.01 mm、量程≥3 mm，距離傳感器示值誤差≤1.0%。

彎沉檢測(cè)時(shí)，承載車緩慢加速至測(cè)試速度（＜3.5 km/h），并沿著正常行車軌跡駛?cè)霚y(cè)試路段，開(kāi)始采集數(shù)據(jù)。自動(dòng)彎沉儀所獲取的路面彎沉盆峰值為路面總彎沉，并結(jié)合橫坡i修正。當(dāng)路面橫坡≤4.0%，不需修正彎沉；當(dāng)路面橫坡＞4.0%，高位修正系數(shù)和低位修正系數(shù)分別取1/（1?i）、1/（1+i）^[4]。

2.3 落錘式彎沉儀

落錘式彎沉儀（FWD）的測(cè)試結(jié)果與實(shí)際更加貼近，主要原因在于：FWD可以模擬車輛荷載，對(duì)測(cè)試位置設(shè)置沖擊力，測(cè)試出動(dòng)態(tài)彎沉。FWD測(cè)定瀝青路面彎沉的具體步驟如下：將FWD牽引至測(cè)試路段起始點(diǎn)—設(shè)置狀態(tài)參數(shù)—承載板中心對(duì)準(zhǔn)測(cè)點(diǎn)—啟動(dòng)荷載發(fā)生裝置—記錄路表變形數(shù)據(jù)，變形峰值就是彎沉值。為了保證測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，每個(gè)測(cè)點(diǎn)至少測(cè)試3次，再將FWD牽引至下一測(cè)點(diǎn)，重復(fù)上述步驟，完成整個(gè)路段的測(cè)試。

由于我國(guó)瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)基于回彈彎沉值，在評(píng)價(jià)瀝青路面耐久性時(shí)也應(yīng)將自動(dòng)彎沉儀和FWD的測(cè)試值轉(zhuǎn)換為貝克曼梁值，并按《規(guī)程》附錄C得到自動(dòng)彎沉儀測(cè)值、FWD測(cè)值與貝克曼梁測(cè)值的相關(guān)性關(guān)系式，相關(guān)系數(shù)R≥0.95^[5]。

3 瀝青路面彎沉與耐久性關(guān)系的具體關(guān)系

3.1 工程概況

研究對(duì)象為某高速公路，設(shè)計(jì)速度為100 km/h，橫斷面為雙向四車道，寬25 m，路面為瀝青路面，路面結(jié)構(gòu)組合如下：SMA-13+AC-20+AC-25+水穩(wěn)碎石基層+石灰穩(wěn)定土底基層+土基，不同路面結(jié)構(gòu)層的設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。

瀝青路面所處區(qū)域地勢(shì)平坦、地基土以第四系上更新統(tǒng)松散堆積層為主，自上至下是粉土、粉砂、粉質(zhì)黏土等。同時(shí)，項(xiàng)目所在區(qū)域夏季高溫、冬季寒冷、年平均降水量較大，約950.8 mm，勘察時(shí)地下水深度約1～2.5 m，且主要受降水補(bǔ)給。

3.2 瀝青路面彎沉隨使用年限的變化規(guī)律

（1）測(cè)試結(jié)果。在公路沿線取4個(gè)典型路段（編號(hào)為A路段、B路段、C路段、D路段），設(shè)置若干個(gè)測(cè)點(diǎn)，利用FWD測(cè)定了不同測(cè)點(diǎn)在公路運(yùn)營(yíng)6年內(nèi)的彎沉，并按前期標(biāo)定的關(guān)系將其轉(zhuǎn)換為貝克曼梁測(cè)值，見(jiàn)表3。

（2）變化規(guī)律。各個(gè)路段彎沉代表值與公路運(yùn)營(yíng)時(shí)間的曲線，如圖1所示。

由圖1可知：各個(gè)路段的彎沉代表值相差不大，且均滿足設(shè)計(jì)文件要求，說(shuō)明瀝青路面的施工質(zhì)量良好。同時(shí)，瀝青路面彎沉隨公路運(yùn)營(yíng)時(shí)間的增加而增加，但變化速率不均勻。在公路通車的2年內(nèi)，瀝青路面使用性能較好，路表彎沉變化不明顯。當(dāng)公路通車時(shí)間超過(guò)2年，瀝青路面受車輛荷載、降雨、溫度等因素的影響后耐久性開(kāi)始衰減，承載能力下降，路表彎沉代表值快速增大。當(dāng)公路通車時(shí)間超過(guò)5年，路表彎沉趨于穩(wěn)定，最終達(dá)到52（0.01 mm）。

3.3 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與理論計(jì)算值對(duì)比

通過(guò)Midas/GTS軟件建立瀝青混凝土路面計(jì)算模型，計(jì)算各個(gè)路段的最大彎沉。建模時(shí)，路面幾何尺寸不宜過(guò)大或過(guò)小，擬取6 m×6 m×6 m的立方體。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，計(jì)算模型采用實(shí)體單元模擬，不同瀝青路面結(jié)構(gòu)層之間、瀝青結(jié)構(gòu)層與土基之間是完全接觸的。同時(shí)，將路面模型的底面完全約束、頂面不約束，可自由變形，計(jì)算荷載采用《規(guī)范》中的標(biāo)準(zhǔn)軸載。

利用Midas/GTS軟件計(jì)算了A路段～D路段的路表彎沉最大值，并與彎沉實(shí)際檢測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，如圖2所示。

由圖2可知：對(duì)于同一路段，Midas/GTS軟件計(jì)算出的瀝青路面彎沉最大值均小于實(shí)測(cè)值，最小誤差是0.38%、最大誤差是1.15%，滿足工程精度要求。在實(shí)際項(xiàng)目中，可將有限元軟件對(duì)彎沉的計(jì)算值和實(shí)測(cè)值相互校核。

4 結(jié)語(yǔ)

該文主要研究了瀝青路面耐久性影響因素、彎沉測(cè)試方法及彎沉與耐久性之間的關(guān)系，得到了以下幾個(gè)研究成果：

（1）影響瀝青路面耐久性的因素可劃分為內(nèi)因和外因，前者包括溫度、濕度、行車荷載等，后者主要是指瀝青混合料的自身特性。

（2）瀝青路面要合理確定驗(yàn)收彎沉值和彎沉代表值，可采用貝克曼梁法、自動(dòng)彎沉儀、落錘式彎沉儀等方法。

（3）隨著公路運(yùn)營(yíng)時(shí)間的增加，瀝青混凝土路面彎沉值增加，耐久性不斷衰減。此外，有限元軟件計(jì)算出的瀝青路面彎沉峰值要略小于實(shí)測(cè)值，最大誤差僅1.15%。

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收稿日期：2023-12-12

作者簡(jiǎn)介：艾洋（1986—），男，本科，工程師，從事公路工程和橋梁施工技術(shù)研究和管理工作。